Физическая и коллоидная химия (стр. 3 )

Давление пара над разбавленными растворами. Первый закон Рауля. Температура замерзания и кипения растворов. Второй закон Рауля. Эбуллиоскопическое и криоскопическое определение молярной массы.

Давление пара над смесью неограниченно растворимых жидкостей. Азеотропные смеси. Законы Коновалова.

Равновесие в системе жидкость-жидкость. Закон распределения. Экстракция. Растворы газов в жидкостях. Закон Генри. Закон Генри-Дальтона. Их применение.

Практическая работа № 6

Проведение расчета осмотического давления, концентрация и степени диссоциации растворов, упругости пара над растворами. Определение температуры кипения и замерзания растворов, молярной массы по температуре кипения и замерзания.

Методические указания к теме 1.5

В изучаемом курсе необходимо научиться рассчитывать основные молекулярно-кинетические свойства растворов: осмотическое давление, давление пара над раствором, температуру замерзания и кипения раствора.

Очень важно усвоить закон Рауля и закон Коновалова для сознательного изучения процессов фракционной перегонки и ректификации в курсе «Процессы и аппараты химической промышленности», знать закономерности перегонки реальных двойных жидких смесей (II закон Коновалова), применяемой для разделения продуктов реакции.

Знание закона распределения поможет понять процесс экстракции, применяемой в химической технологии.

Простое положение: растворимость газа в жидкости растет с ростом давления и газа и понижением температуры газа и жидкости – находит широчайшее применение во всех технологических процессах. Попробуйте показать это на примерах из своей производственной практики (улучшение технологии и забота об охране окружающей среды).

Примерные решения задач к теме 1.5

Пример 6. Вычислить молярность раствора глюкозы, если массовая доля С6Н12О6 0,01 (1 %). Плотность раствора принять равной единице.

Решение: В 100 г раствора глюкозы заданной концентрации содержится 1 г глюкозы. Так как rраст = 1, то масса 1 л раствора равна 1 кг. Содержание глюкозы в 1 л равно 1000х1/100 = 10 г, что составляет 10/180 = 0,055 моль. МС6Н12О6 = 180. Следовательно, раствор глюкозы 0,055 М.

Пример 7. Определить нормальность раствора серной кислоты, если массовая доля Н2SО4 0,30 (30 %). Плотность раствора равна 1,224 г/см3.

Решение: Определим массу 1 л серной кислоты указанной концентрации 1000х1,224 = 1224 г. В растворе содержится = 367,2 г Н2SО4, или 367,2 : : 49 = 7,5 г-экв. Следовательно, раствор серной кислоты 7,5 н.

Пример 8. Имеется раствор серной кислоты с массовой долей Н2SО4 0,1 (10 %). Вычислите молярность этого раствора.

Решение: В 100 г раствора серной кислоты содержится 10 г Н2SО4 и 90 г воды. Определим содержание серной кислоты в 1000 г воды; оно равно 1000х10/90 = 111,1 г, или 111,1/98 = 1,13 моль.

Раствор серной кислоты с массовой долей Н2SО4 0,1 (10 %) 1,13 m.

Пример 9. Вычислите молярные доли воды и спирта в водном растворе спирта, если массовая доля спирта 0,4 (40 %).

Решение: В 100 г раствора указанной концентрации содержатся 40 г спирта С2Н5ОН и 60 г воды. Вычисляем количество молей спирта и воды:

nb = 40/46 = 0,87 моль С2Н5ОН; nа = 60/18 = 3,33 моль Н2О

Сумма nа + nb = 4,20 моль. Согласно (III.10) и (III.11).

для спирта Nb = 0,87/4,20 = 0,,7 %),

для воды Nа = 3,33/4,20 = 0,,3 %).

Пример 10. Осмотическое давление 0,1 н. ZnSО4 при 0 ºС равно 1,59х105 Па. Определить кажущуюся степень диссоциации соли в данном растворе.

Решение: Концентрация раствора сульфата цинка равна 0,05 моль/л, или 0,05 кмоль/м3. Для растворов электролитов применяем формулу (III.16), из которой находим изотонический коэффициент:

i = = = 1,401

Соль ZnSО4 при диссоциации образует два иона (К=2). Согласно (III.18) i = 1 + a.Отсюда a = i – 1 = 1,401 – 1 = 0,401 или a = 40,1 %.

Вопросы для самоконтроля:

1. Объясните, почему растворение является физико-химическим процессом?

2. Перечислите факторы, влияющие на процесс растворения.

3. Сформулируйте основные положения гидратной теории .

4. Охарактеризуйте идеальные, реальные, предельно разбавленные растворы и растворы электролитов.

5. Дайте определение понятиям «осмотическое давление».

6. Приведите уравнение Вант-Гоффа для растворов неэлектролитов и растворов электролитов.

7. Покажите связь изотонического коэффициента со степенью диссоциации.

8. Сформулируйте первый закон Рауля.

9. Объясните, почему понижается давление пара и температура замерзания, растет температура кипения раствора по сравнению с чистым растворителем?

10. Сформулируйте второй закон Рауля.

11. Раскройте физический смысл криоскопической и эбуллиоскопической постоянной.

12. Объясните сущность эбуллиоскопии и криоскопии.

13. Раскройте сущность законов Коновалова.

14. Опишите состав азеотропных смесей.

15. Сформулируйте закон Генри и закон Генри-Дальтона.

16. Раскройте сущность закона распределения.

17. Охарактеризуйте процесс экстракции.

Тема 1.6 Электрохимия

Задачи электрохимии. Проводники I и II рода. Полупроводники. Удельная электропроводность и ее измерение. Теория сильных электролитов. Эквивалентная электропроводность. Закон Кольрауша. Связь между степенью диссоциации и эквивалентной электропроводностью. Закон разбавления Оствальда. Кондуктометрическое титрование. Электродные потенциалы. Стандартные и индикаторные электроды. Уравнение Нернста. Ряд стандартных электродных потенциалов.

Гальванические элементы. Элементы Якоби-Даниэля, Вестона. Электродвижущая сила гальванического элемента, ее измерение.

Концентрационные элементы. Диффузионный потенциал. Окислительно-восстановительные потенциалы. Потенциометрическое определение концентрации ионов водорода. Потенциометрическое титрование.

Электролиз растворов и расплавов электролитов. Законы Фарадея. Электрохимическая коррозия металлов. Способы защиты от нее.

Практическая работа № 7

Вычисление удельной и эквивалентной электропроводности, электродных потенциалов, электродвижущей силы гальванических элементов. Вычисления по законам Фарадея.

Методические указания к теме 1.6

Электрохимия – раздел физической химии, изучающий закономерности взаимопревращения электрической и химической энергии. Тема состоит из теории электропроводности растворов, описания устройства и работы гальванических элементов и теории электролиза.

Основное внимание следует обратить на раздел «Электролиз». Важно изучить химическую сущность процесса, знать законы электролиза Фарадея, уметь рассчитать массу вещества, необходимое время электролиза, силу тока и т. д. по объединенному закону Фарадея, знать практическое применение и перспективы электролиза. При изучении теории электропроводности важно научиться определять по величине электропроводности раствора степень электролитической диссоциации, константу диссоциации. Необходимо знать устройство и принцип работы гальванического элемента, метод расчета величин ЭДС.

Примерные решения задач к теме 1.6

Пример: Какие процессы протекают на электродах при электролизе раствора сульфата кальция? Какие вещества и в каком количестве выделяются на электродах при прохождении через раствор тока 3,6 а в течение 42 минут?

Вопросы для самоконтроля:

1. Объясните, в чем заключается различие между проводниками I и II рода.

2. Охарактеризуйте удельную электропроводность и приведите порядок ее определения.

3. Раскройте сущность закона Кольрауша.

4. Объясните связь между степенью диссоциации и эквивалентной электропроводностью.

5. Раскройте сущность закона разбавления Оствальда.

6. Опишите метод кондуктометрического титрования.

7. Дайте понятия об электродных потенциалах, стандартных и индикаторных электродах.

8. Приведите уравнение Нернста.

9. Объясните, каким образом построен ряд стандартных электродных потенциалов.

10. Дайте определение понятия «гальванический элемент».

11. Охарактеризуйте элементы Якоби-Даниэля и Вестона.

12. Опишите, как измеряют электродвижущую силу гальванического элемента.

13. Охарактеризуйте концентрационный и окислительно-восстановительный элементы.

14. Приведите порядок потенциометрического определения концентрации ионов водорода.

15. Охарактеризуйте метод потенциометрического титрования.

16. Охарактеризуйте процессы электролиза растворов и расплавов электролитов.

17. Сформулируйте законы Фарадея.

18. Объясните сущность процесса электрохимической коррозии.

19. Приведите способы защиты от коррозии.

Тема 1.7 Химическая кинетика и катализ

Скорость химической реакции. Гомогенная и гетерогенная система. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Закон действия масс. Константа скорости реакции, ее физический смысл. Классификация химических реакций. Кинетические уравнения реакций первого и второго порядка. Полупериод реакции.

Влияние температуры на скорость химической реакции. Правило Вант-Гоффа. Теория активации молекул. Активные молекулы. Методы активации. Энергия активации. Уравнение Аррениуса, его использование для определения константы скорости и энергии активации. Цепные реакции, их особенности. Работы и его школы. Механизм цепной реакции. Фотохимические и радиационно-химические процессы. Процессы, протекающие со взрывом. Определение оптимальных условий ведения химико-технологических процессов.

Методы определения порядка реакции.

Поверхностные явления и адсорбция. Особенности адсорбции на поверхности твердого тела, ее зависимость от различных факторов. Изотерма адсорбции Ленгмюра. Уравнения Фрейндлиха и Ленгмюра.

Катализ. Изменение величины энергии активации химической реакции. Особенности каталитических реакций. Гомогенные каталитические процессы. Теория промежуточных соединений Оствальда. Автокатализ. Гетерогенный катализ. Применение каталитических процессов в химической технологии.

Практическая работа № 8

Вычисление константы скорости химической реакции, температурного коэффициента, энергии активации.

Методические указания к теме 1.7

После изучения данной темы нужно знать, что скорость химической реакции – изменение количеств реагирующих веществ в единицу времени по реакционному объему аппарата и для ее увеличения необходимо:

1. Повысить температуру в зоне реакции, причем повышение ее на каждые 10 °С увеличивает скорость реакции в 2-4 раза.

2. Повысить давление в системе, если реагирующие вещества находятся в газообразном состоянии (закон действия масс).

3. Повысить концентрацию реагирующих веществ.

4. Ввести катализатор.

Под катализатором следует понимать вещество, ускоряющее химическую реакцию за счет проведения ее по пути с наименьшей энергией активации, т. е. по энергетически наиболее выгодному пути. Необходимо знать классификацию химических реакций по молекулярности и порядку, кинетические уравнения реакций I и II порядка.

Важно усвоить особенности каталитических процессов, знать теории гомо - и гетерогенного катализа, понимать механизм цепных реакций; поскольку в многотоннажной химической промышленности преобладающее большинство процессов происходит на катализаторе, нужно знать три стадии протекания каталитического процесса на твердом катализаторе и способы управления процессом в зависимости от лимитирующей стадии.

Нужно уметь показать, как в химической технологии применяются все более активные и экономичные катализаторы. Материал этих тем будет особенно необходим при изучении спецтехнологии.

Примерные решения задач к теме 1.7

Так как скорость и константа скорости реакции прямо пропорциональны, то скорость реакции при введении катализатора возрастает в 2089 раз.

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение понятия «скорость химической реакции».

2. Перечислите факторы, влияющие на скорость химической реакции.

3. Сформулируйте закон действия масс.

4. Раскройте физический смысл константы скорости реакции.

5. Приведите классификацию химических реакций.

6. Дайте понятие определения «полупериод реакции».

7. Сформулируйте правило Вант-Гоффа.

8. Объясните сущность теории активации молекул.

9. Дайте определение понятия «энергия активации».

10. Приведите уравнение Аррениуса и объясните, для чего оно используется?

11. Изложите особенности и механизм цепной реакции.

12. Охарактеризуйте фотохимические и радиационно-химические процессы и оптимальные условия ведения химико-технологических процессов.

13. Опишите методы определения порядка реакции.

14. Проанализируйте поверхностные явления и процесс адсорбции.

15. Изложите особенности адсорбции на поверхности твердого тела и объясните ее зависимость от различных факторов.

16. Объясните изотерму адсорбции Ленгмюра и уравнения Фрейндлиха и Ленгмюра.

17. Раскройте суть катализа и автокатализа.

18. Опишите особенности каталитических реакций.

19. Объясните суть теории промежуточных соединений Оствальда.

20. Объясните механизм гомогенного и гетерогенного катализа.

21. Объясните применение каталитических процессов в химической технологии.

Раздел 2. Основы коллоидной химии

Коллоидная химия – физическая химия дисперсных систем. Роль дисперсных систем в природе и технике.

Классификация дисперсных систем. Получение и очистка дисперсных систем.

Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем: броуновское движение; диффузия; осмотическое давление; агрегативная, седиментационная устойчивостью

Оптические свойства дисперсных систем: эффект Тиндаля-Фарадея, опалесценция, окраска.

Теория строения коллоидных частиц. Термодинамический и электрокинетический потенциалы. Изоэлектрическое состояние.

Электрокинетические явления в золях. Электрофорез. Электросмос.

Коагуляция. Коагулирующее действие различных факторов (изменение температуры и концентрации электролитов). Правило Шульце-Гарди. Порог коагуляции. Пептизация.

Микрогетерогенные системы. Эмульсии, их классификация, свойства, получение, значение. Эмульгаторы.

Суспензии, их получение, свойства, значение.

Пены, их получение, свойства, применение. Пенообразователи и пеногасители.

Аэрозоли, их классификация, свойства, применение. Взрывоопасность пыли. Разрушение аэрозолей.

Порошки, их свойства.

Практическая работа № 9

Составление формул мицелл гидрофильных золей. Вычисление величины электрокинетического потенциала коллоидных мицелл.

Практическая работа № 10

Вычисление величины удельной адсорбции. Определение коагулирующей способности и порога коагуляции электролитов.

Лабораторная работа №2

Получение золей и изучение их свойств.

Проведение коагуляции золей электролитами.

Изучение процессов получения и разрушения, обращения фаз эмульсий.

Методические указания к разделу 2

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем. Диффузия, броуновское движение. Оптические свойства коллоидных систем, эффект Фарадея-Тиндаля. Факторы, от которых зависит интенсивность рассеянного света. Сравнение оптических и молекулярно-кинетических свойств коллоидных систем с истинными растворами. Понятие о нефелометрическом методе анализа. Современные методы анализа коллоидных систем с помощью электронного микроскопа. Электрические свойства коллоидных систем. Термодинамический и электрокинетический потенциал.

Электрофорез и электросмос. Практическое использование этих явлений. Строение двойного электрического слоя.

Строение коллоидной частицы. Коагуляция. Коагулирующее действие различных факторов (повышение температуры, действие растворов электролитов, взаимная коагуляция). Процесс пептизации. Основные факторы устойчивости коллоидных систем. Понятие о кинетической и агрегатной устойчивости.

Коллоидная химия изучает свойства высокодисперсионных систем. Обратите внимание на способы получения и очистки коллоидных растворов, молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические свойства. Важно усвоить строение и уметь составить формулу мицеллы золя, определить знак гранулы, заряд коагулирующего иона.

Примерные решения задач к разделу 2

Пример 1. Для получения золя хлорида серебра смешали 15 см3 0,025 н. КСl с 85 см3 0,005 н. AgNО3. Написать формулу мицеллы полученного золя.

Решение. Определяем, какой из растворов взят в избытке:

число мг-экв КСl 15 · 0,025 = 0,375 мг-экв,

число мг-экв AgNО3 85·0,005 = 0,425 мг-экв

В растворе имеется избыток AgNО3. Ядром коллоидных частиц золя AgСl будут адсорбироваться преимущественно ионы Ag+ и частично ионы NО3-. Формула мицеллы золя хлорида серебра будет

[(mAgCl) n Ag+ (n – х) NО3-]х+ · NО3-

Пример 2. В три колбы налито по 100 см3 золя Fе(ОН)3. Чтобы вызвать явную коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую колбу 10,5 см3 1 н. КСl, во вторую – 62,5 см3 0,01 н. Nа2SО4, в третью – 37,0 см3 0,001 н. Nа3РО4. Вычислить пороги коагуляции и определить знак заряда частиц золя.

Решение: Определяем, сколько мг-экв КСl содержится в 10,5 см3 1 н.

10,5·1 = 10,5 мг-экв КСl

Общий объем раствора (золь + раствор электролита)

100 + 10,5 = 110,5 см3

Вычисляем порог коагуляции (мг-экв на 1 л золя) для КСl

сКСl = (10,5/110,5)·100 = 95 мг-экв/л.

Аналогично рассчитываем пороги коагуляции для Nа2SО4 и Nа3РО4

62,5 х 0,01 = 0,625 мг-экв Nа2SО4,

сNа2SО4 = (0,625/162,5)1000 = 3,8 мг-экв/л,

37,0 х 0,001 = 0,037 мг-экв Nа3РО4,

сNа3РО4 = (0,037/137)х1000 = 0,27 мг-экв/л.

Электролиты КСl, Nа2SО4 и Nа3РО4 содержат катионы одинакового заряда, а заряд их анионов различен. Чем заряд аниона больше, тем порог коагуляции становится меньше. Самый наименьший порог коагуляции и, следовтаельно, наивысшая коагулирующая способность у ионов РО43-. На основании полученных данных можно сделать вывод, что частицы золя Fе(ОН)3 заряжены положительно.

Пример 3. Электрокинетический потенциал частиц гидрозоля 50 мВ. Приложенная внешняя э. д.с. 240 В, а расстояние между электродами 40 см. вычислить электрофоретическую скорость частиц золя, если форма их цилиндрическая. Вязкость воды 0,001 Пахс, а диэлектрическая проницаемость среды 81.

Решение. Из формулы (VIII.2) u = zeН/4ph. По формуле (VIII.3) Н = Е/l = 240/0,4 = 600 В/м,

u = = 2,15х10-5 м/с

(1/9х109 – коэффициент, выражающий диэлектрическую проницаемость e в единицах системы СИ, Ф/м.).

Вопросы для самоконтроля:

1. Раскройте сущность коллоидной химии.

2. Поясните роль дисперсных систем в природе и технике.

3. Изложите классификацию дисперсных систем и опишите их получение и очистку.

4. Охарактеризуйте молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем.

5. Раскройте сущность теории строения коллоидных частиц.

6. Охарактеризуйте термодинамический и электрокинетический потенциалы, изоэлектрическое состояние, электрокинетические явления в золях.

7. Опишите процесс коагуляции и объясните коагулирующее действие различных факторов.

8. Сформулируйте правило Шульце-Гарди.

9. Объясните сущность понятий: порог коагуляции и пептизация.

10. Изложите особенности микрогетерогенных систем.

11. Опишите эмульсии, суспензии, пены, аэрозоли, порошки, их классификацию, получение, свойства, применение.

Раздел 3. Высокомолекулярные соединения, их растворы

Состав, получение, классификация полимеров. Первичная структура, гибкость и эластичность цепей макромолекул. Фазовые и агрегатные состояния полимеров. Механические свойства полимеров: упругость, деформация, вязкость. Прочность, пластичность.

Смачивание полимеров. Взаимодействие полимеров с растворителями. Набухание, растворение полимеров.

Растворы высокомолекулярных соединений. Их классификация. Свойства разбавленных растворов: термодинамическая устойчивость, осмотическое давление, светорассеяние, вязкость.

Применение полимеров.

Методические указания к разделу 3

Наша жизнь немыслима без широкого использования всевозможных полимерных материалов, в связи с чем интенсивно развивается и расширяется их производство. Поэтому, очень важно обратить внимание на состав, процесс получения, структуру полимеров, гибкость и эластичность цепей макромолекул, фазовые и агрегатные состояния, механические свойства.

Важно усвоить сущность процессов смачивания, набухания и растворения полимеров; знать характеристику растворов высокомолекулярных соединений и свойства разбавленных растворов.

Вопросы для самоконтроля:

1. Изложите состав и классификацию полимеров.

2. Опишите процесс получения полимеров.

3. Охарактеризуйте первичную структуру, гибкость и эластичность цепей макромолекул.

4. Охарактеризуйте фазовые и агрегатные состояния полимеров.

5. Опишите механические свойства полимеров.

6. Объясните сущность процессов смачивания полимеров, взаимодействия полимеров с растворителями, набухания и растворения.

7. Опишите растворы высокомолекулярных соединений и свойства разбавленных растворов.

8. Назовите области применения полимеров.

Контрольная работа

(Таблица вариантов)

№ вар.	№ КР	Номера заданий, относящихся к данному варианту
01	1	1	31	61	91	121	151	181
2	211	241	271	301	331
02	1	2	32	62	92	122	152	182
2	212	242	272	302	332
03	1	3	33	63	93	123	153	183
2	213	243	273	303	333
04	1	4	34	64	94	124	154	184
2	214	244	274	304	334
05	1	5	35	65	95	125	155	185
2	215	245	275	305	335
06	1	6	36	66	96	126	156	186
2	216	246	276	306	336
07	1	7	37	67	97	127	157	187
2	217	247	277	307	337
08	1	8	38	68	98	128	158	188
2	218	248	278	308	338
09	1	9	39	69	99	129	159	189
2	219	249	279	309	339
10	1	10	40	70	100	130	160	190
2	220	250	280	310	340
11	1	11	41	71	101	131	161	191
2	221	251	281	311	341
12	1	12	42	72	102	132	162	192
2	222	252	282	312	342
13	1	13	43	73	103	133	163	193
2	223	253	283	313	343
14	1	14	44	74	104	134	164	194
2	224	254	284	314	344
15	1	15	45	75	105	135	165	195
2	225	255	285	315	345
16	1	16	46	76	106	136	166	196
2	226	256	286	316	346
17	1	17	47	77	107	137	167	197
2	227	257	287	317	347
18	1	18	48	78	108	138	168	198
2	228	258	288	318	348
19	1	19	49	79	109	139	169	199
2	229	259	289	319	349
20	1	20	50	80	110	140	170	200
2	230	260	290	320	350
21	1	21	51	81	111	141	171	201
2	231	261	291	321	351
22	1	22	52	82	112	142	172	202
2	232	262	292	322	352
23	1	23	53	83	113	143	173	203
2	233	263	293	323	353
24	1	24	54	84	114	144	174	204
2	234	264	294	324	354
25	1	25	55	85	115	145	175	205
2	235	265	295	325	355
26	1	26	56	86	116	146	176	206
2	236	266	296	326	356
27	1	27	57	87	117	147	177	207
2	237	267	297	327	357
28	1	28	58	88	118	148	178	208
2	238	268	298	328	358
29	1	29	59	89	119	149	179	209
2	239	269	299	329	359
30	1	30	60	90	120	150	180	210
2	240	270	300	330	360

Контрольные вопросы и задания